数据中心节能技术应用

付显学

[摘要]数据中心是一个能量密集，高耗能的机房，随着数据中心的发展，降低数据中心能耗变得日益重要。重点介绍降低数据中心能耗的节能技术和措施，探索在数据中心运营过程中，降低能耗，节能减排的具体方法。

[关键词]数据中心机房；能量密集；高能耗；节能技术；节能技术应用

[中图分类号]TU201.5 [文献标识码]A

随着万物互联时代的到来，大数据、云計算已列为国家重点发展战略。数据中心朝着“大规模”、“高密度”、“节能型”和增值化方向发展，对数据中心基础设施建设、网络部署和绿色节能技术应用提出了新的要求。CPU多核、刀片式服务器、定制化服务器和虚拟化技术的广泛应用大大提升了IDC的计算密度和功耗密度，数据中心是一个能量密集、高耗能的机房，随着数据中心的发展，降低数据中心能耗变得日益重要。本文重点介绍降低数据中心能耗的节能技术和措施，探索在数据中心运营过程中，降低能耗，节能减排的方法。

1 数据中心主要应用的节能技术

1.1 电气节能技术

采用高效、低损耗非金合金变压器，降低涡流损耗；高压设备配置的断路器为真空断路器，用电功率小；低压用电设备的无功损耗在低配室采用集中补偿方式。

采用能耗检测系统，可以有效评估耗电情况，发现问题后及时采取措施，降低能耗。

数据中心机房精密空调采用空调自适应系统，可避免空调竞争运行，可避免机房出现过冷、过热现象，达到有效节能目的；集中空调冷冻站采用节能自控系统，可有效降低冷冻站能耗。

1.2 空调系统节能技术

1.2.1 离心式冷水主机。机房空调系统的冷源采用大制冷量、高能效比的离心式冷水主机，其COP高达6.0，其规模节能效应十分显著。

1.2.2 变频技术。冷水主机、空调水泵等均采用变频技术，可以将设计安装的富裕量进行有效调节，改善运行工况，提高空调工作效率，达到节能目的。

1.2.3 免费制冷技术。IDC机房在一年四季中均有稳定的设备发热量，即使冬季也需要不间断供冷，这时只要室外气温足够低，便可直接或间接作为冷源来消除设备发热量，而不需要开启冷水主机，可节省大量电费，所以也被称为免费制冷（Free Cooling）。常见的免费制冷有冷却塔+板式换热器的间接方式和智能新风引入的直接方式。

数据中心机房，特别是大型IDC机房，IT系统主机类机房，其网络设备模块集成化，耗电量和发热量非常大。在高温、高湿的机房环境下，含硫的气体和颗粒物，会和电路板表面的金属铜层或镀层微孔形成硫化物，造成蠕形腐蚀，导致电路短路或断路和机房信息信号紊乱的发生。

国标《电子信息系统机房设计规范》DB50174-2008中规定：A级和B级主机房的空气含尘浓度，在静态条件下测试，每升空气中大于或等于0.5μm的尘粒数应少于18000粒。

根据上述要求，智能新风直接引入必须进行除尘过滤和化学过滤，尤其是化学过滤的滤料消耗量大，费用高昂。此外，智能新风直接引入还需要在机房内相对的两面外墙预留进出风百叶，而数据机房的机房布置不具备这样的条件。

综上所述，根据自然气候条件，针对冷冻水系统，数据中心采用冷却塔+板式换热器的间接方式来实现自由冷却免费供冷，此系统配有相应的板换、冷却塔、一次水侧循环泵、二次水侧循环泵，自由冷却系统与制冷系统并联，便于控制、维修、切换，功能划分清晰。同时在夏季高温季，冷却塔可与主机配备冷却塔一并使用，以此降低冷却水温，提高主机COP 值。

1.2.4 余热回收技术。冷水主机的冷凝排热一般是通过冷却塔排入大气，而热收回技术就是将这部分排热进行回收，加以有效利用，可满足相邻办公及生活用建筑内的生活热水及供暖需求。

1.2.5 机房集中加湿。传统机房采用精密空调机组自带的加湿器机对机房进行加湿，主要有电极式和红外加湿两种。由于两种方式都是对水进行加温，使得水蒸发后经由精密空调风机送入机房完成加湿，因此消耗电能较大，并且过程中产生热量，会消耗精密空调的部分制冷量。而集中加湿采用的是湿膜加湿，经过过滤的水由加湿器顶部淋下，被湿膜材料吸收后形成均匀的水膜，干热的机房回风空气通过湿膜材料和水分子吸收其中的热量而汽化、蒸发，使得空气的湿度增加同时温度下降。因此整个过程没有加热的过程，消耗的电能仅为加湿器中的循环水泵和风机，根据测算，在加湿能力相同的情况下，取消精密空调机组中的加湿器，在机房空调间内安装集中湿膜加湿机，可节省加湿能耗90%以上。

1.2.6 EC风机。机房空调末端设备采用采用直联的EC电机，该电机采用电子换向技术，控制电路集成于一体，具有效率高、体积小、可靠、功率因素高、低振动、无级调速等优点，比传统通风机节能。

1.2.7 空调群控系统。采用空调群控系统，可自动控制空调温、湿度数据的设置值，自动优化空调工作性能和状态，控制空调群的组合使用效率，减少空调不合理的耗电量部分，达到节能目的。

2 数据中心节能技术的应用分析

2.1 某数据中心能耗占比统计分析

根据图3统计分析，某数据中心IT能耗占比61.6%，空调暖通占比30%、电源设备能耗占比5.6%，其他能耗如机房照明、消防设备占比2.9%。在非IT设备中，暖通空调能耗占比远大于电源、其它类设备。

2.2 数据中心空调运行模式分析

某数据中心位于湖北省襄阳市，地上2层，建筑面积23909m2，一期工程空调设计容量6332kW，末端采用24台双冷源机组和7台冷冻水机组，制冷主机采用水冷离心式冷水机组。数据中心作为高湿热大型IDC机房，要求全年供冷，全年具有稳定的冷负荷，能耗巨大，优化运行模式，节能减排尤为重要。

用建筑节能软件dest模拟襄阳地区气象情况见图4、图5。

根据图4、图5不同的季节襄阳自然气候条件，采用不同的空调运行模式：

（1）在冬季12月、1月、2月、3月，室外湿球温度低于5℃，冷却塔出水温度低于12.5℃时，关闭制冷主机，利用冷却塔+板式换热器的工作方式实现自由冷却免费向空调未端提供冷源。单台板换制冷量3200kW，2台可达到6400kW。该工作模式主要运行设备有冷却水泵1台（75kW）、冷冻水泵1台（90kW）、冷却塔1台（90kW）、18台空调末端（18×8.4kW），按制冷量1808kW计算，冷却泵、冷冻泵、冷却塔取值54%（按设计制冷量60%、共用系统0.9计算）、空调未端按90%取值，共计电功率273.78kW。

（2）每年6月、7月、8月、9月，属于夏季高温季节，冷却塔出水温度高于18.5℃时，开启冷水机组向空调末端提供冷量，离心式制冷机组COP 值为5.6，制冷效率较高。 该工作模式主要运行设备有冷却水泵1台（75kW）、冷冻水泵1台（90kW）、冷却塔1台（90kW）、18台空调末端（18×8.4kW）、主机583.9kW；按制冷量1808kW计算，冷却泵、冷冻泵、冷却塔、主机取值54%（按设计制冷量60%、共用系统0.9计算）、空调末端按90%取值，共计电功率589.086kW。

（3）每年4月、5月、10月、11月，属于过渡季节，当冷却塔出水温度高于12.5℃且低于18.5℃时，采用冷却塔预冷模式，即冷却水在进入制冷主机前与空调冷水回水通过板式换热器换热，换热后再进入制冷主机的冷凝器，可减少主机运行时间。通过对襄阳地区的气象参数进行分析，室外湿球温度高于5℃且低于或等于11.5℃的时间段是4月、5月、10月、11月。该工况下，系统的主要能耗设备为冷却塔、冷却水泵、制冷主机、冷水泵及空调末端。

2.3 某数据中心实际运行能耗统计分析

评价数据中心能耗关键指标为数据中心PUE值，即数据中心总能耗与IT设备能耗的比值。PUE值越小，说明IT设备能耗占比较大，数据中心越绿色节能。

根据表3可知：（1） 冬季2016年12月至2017年3月，用电1032489.02kW·h，比夏季2017年6月至9月（用电量1945248.87 kW·h，减少877426.08kW·h）。（2）春、秋四个月（2017年4月、5月、10月、11月）用电1771931.98kW·h，与夏季四个月（2017年6月至9月）用电量1945248.87kW·h相比，节约电量173316.89kW·h。合计全年节约电能1086076kW·h。

通过优化数据中心空调运行模式，冬季使用冷却塔+板式换热器的间接方式免费冷却，春秋采用冷却塔+板式换热器预制冷和制冷机组并行使用，根据实际运行统计结果显示，每年可节约电能1086076度，按大工业用电每度折合电价0.78元（包含变压器容量费），全年可节约运行成本84.71万元。

3 结论

通过对数据中心运行情况的观察分析，数据中心节能技术的应用是非常重要的，特别是空调系统，优化数据中心空调节通运行模式是必要的，效果是显著的。

（1）数据中心冬季使用冷卻塔+板式换热器的间接方式免费冷却，春秋两季采用冷却塔+板式换热器预制冷和制冷机组并行使用，该运行模式运行稳定可靠，能够满足数据中心制冷需求，节能减排效果显著。

（2）数据中心制冷主机能耗较大，采用COP值达6.0以上的大型水冷机组较普通的专用机房精密空调节能效果显著。

（3）采用余热回收技术，降低冷却水进水温度，提高冷水机组效率。同时，为数据中心附属楼常年提供生活用热水，为生产办公楼提供冬季供暖。项目运行可靠，真正实现绿色节能环保。

（4）采水泵变频技术节能效果明显，是数据中心重要的节能技术之一。

（5）节能电气设备的应用进一步降低了电源设备自损，为进一步节能减排，降低数据中心PUE值，打下了坚实的基础。

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